シングルとマルチの位相動作

Dec 05, 2023

Scientific Reports volume 13、記事番号: 4507 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

相変化現象は、多孔質媒体内の流体のダイナミクスと分布に大きな影響を与えます。 リザーバー内の流体の相挙動に影響を与える主な要因の 1 つは毛細管現象です。これは、媒体がより緊密になり (閉じ込め効果)、ナノサイズの細孔が多くなるにつれて、必然的に重要になります。 このような密閉媒体内での炭化水素の気化と凝縮の性質を理解することは、二相エンベロープの正確なモデル化、ひいては炭化水素貯留層からのエネルギー生産のパフォーマンスにとって重要です。 この論文では、さまざまな種類の岩石 (砂岩、石灰岩、緻密な砂岩、頁岩) における単一成分および多成分の炭化水素の蒸発を研究します。 それぞれの岩石タイプで蒸発温度を実験的に測定し、バルク状態で測定した沸点と比較して、毛細管媒体の相変化温度とバルク値の間の偏差を調査しました。 測定された蒸発温度とバルク測定値の間の偏差は、単一成分溶媒の場合は 4.4% (ケルビン単位で 1.6%) ～ 19.7% (ケルビン単位で 5.2%)、1.4% (ケルビン単位で 0.4%) ～ 27.6% の範囲でした。 (ケルビン単位で 5.3%) 炭化水素混合物と。 実験から得られた蒸発温度は、古典的なペン・ロビンソン状態方程式によって計算された二相エンベロープとも比較されました。 計算値からの測定された蒸発温度の偏差パーセンテージは、単一成分溶媒では少なくとも 4.4% (ケルビン単位で 1.6%)、炭化水素混合物では 2.1% (ケルビン単位で 0.7%) でした。

生産または注入段階中の炭化水素貯留層で非常に一般的な物理現象の 1 つは、地域の圧力または温度の変化による流体相の変化です。 生産期間を通じて、坑井付近の圧力は徐々に低下し、時間の経過とともに軽い成分が蒸発します。 たとえば、石油増進回収 (EOR) 用途で外来ガスを注入すると、多孔質媒体内の非等圧条件により、貯留層内に導入されたガスの相変化が大きく起こります。 このような現象は、高圧の貯留層では頻繁に発生する可能性があります。

重油用途における一般的な手法の 1 つは、マトリックスに蒸気を注入して油の粘度を熱的に低下させ、それによって毛細管システム内での油の移動性を高めることです。 大量の熱損失により、蒸気はその熱エネルギーを失い、噴射後に凝縮する傾向があり、密度が高くなります。 一般に、リザーバー内での蒸発と凝縮の発生は、流体の動的挙動、つまり流体の分布と伝播速度に影響を与えるため、最も重要です。 石油貯留層におけるもう 1 つの一般的な方法は、熱の補助の有無にかかわらず、液体または気体の溶媒を使用することです。 この種の用途における温度と圧力の変化は、炭化水素の回収と高価な溶媒の回収に重大な影響を与えます。

このような状況では、所望の相を持たせることで油の回収とコストの両方が大幅に改善される可能性があるため、多孔質マトリックスの相変化を正確に予測することが非常に重要です。 緊密なバッケン貯留層におけるプロパン注入プロジェクトは、注入された流体の相が最終的な石油回収を達成する上で主要な役割を果たすケースに適した例です。 炭化水素溶剤を注入する主な目的の 1 つは、溶剤が油に接触するとすぐに重油の粘度を下げることです。 ガス状の溶媒の注入は、細孔内の高い毛細管抵抗によって制限され、ガスの伝播とオイルとの接触が制限されます。 バッケン貯留層では、貯留層条件で液相にできる適切な相変化圧力と、油との効率的な接触を考慮して、プロパンが選択されました1。

前述の用途のシミュレーション研究では、炭化水素の相挙動の正確なデータ入力が重要です。これは、炭化水素の相挙動がプロセスのダイナミクス、ひいては石油回収予測に多大な影響を与えるためです。 Peng と Robinson2 は、密度や体積挙動などの他の物理的特性を含む、純成分流体および多成分流体の相挙動を予測する状態方程式 (EoS) モデルを開発しました。

ここで、\(R\) は普遍気体定数 (8.31 J/mol.K)、\(T\) は流体温度 (293.15 ～ 473.15 K の範囲)、\({V}_{m}\) はモル濃度です。システムの圧力と温度に基づく流体の体積。 表 1 は、293.15 K (20 °C) で使用した純粋な成分のモル体積を示しています。 \(a (T)\) と \(b\) は引力パラメータであり、それらの量が圧力と温度の影響を受けるファンデルワールス共体積です。

以前、Redlich と Kwong3 は、圧力の変化を体積および温度と結び付ける方程式を提案しました。 その後、この方程式は Soave4 によって修正され、以前の EOS モデル 3 の精度が向上しました。 Peng Robinson (PR) および Redlich Kwong (RK) の立方体 EoS の元の形式では、毛管圧力と吸着効果が考慮されていません。 しかし、最近、これらの要因を無視すると、特により大きな割合のナノ細孔で構成されている場合、PR-EoS および RK-EoS が閉じ込められた多孔質媒体内の相挙動を不正確に推定する可能性があることが示されました 5、6、7。

元の立方体 EoS に毛細管 (または閉じ込め) 効果の概念を適用するために、いくつかの研究 8、9、10、11、12 が実施されました。 Travalloni ら 13 は、閉じ込められた流体の相挙動に対する毛細管現象と細孔分子の効果を考慮した PR-EoS の拡張バージョンを開発しました。 Nojabaei et al.14 は、気液平衡 (VLE) 計算における毛細管圧力を組み込み、その後、これを PR-EoS に採用して、多くの二元混合物の圧力と温度の位相エンベロープを計算しました。 VLE 方程式で毛細管現象を考慮すると、泡立ち点圧力が低下し、露点圧力が増加/減少します。 媒質がより緊密になると、分子の数が制限されるため 15、拘束された流体は細孔壁 (分子間相互作用) の影響を大きく受け始め、その結果不均一な流体分布が生じます 16。 Cui et al.15 は、吸着現象によって生じる流体換算モル数に基づいてモル体積項を調整することにより、PR-EoS の修正バージョンを導入しました。

多孔質媒体中の流体の相変化挙動を理解することは、流体のダイナミクス、相分布、および石油/ガスの回収を正確に予測するために重要な側面です。 狭い貯留層（頁岩、狭い砂岩など）では、そのような岩石は主にナノ細孔によって支配されているため、この問題はより重要になります17、18。 流体の位相変化の温度と圧力は、媒体サイズが古典的なケルビン方程式 19 で示される 1000 nm (nm) または Cui らの報告 15 で示される 100 nm を下回ると観察可能になります。

以前の研究 18 では、頁岩、緻密な砂岩、インディアナ州石灰岩、およびベレア砂岩における細孔サイズの偏差を特定するために細孔サイズ分布分析が実行されました。 分析の結果、浸透性の岩石（砂岩と石灰岩）の水路の約 4% が 100 nm 未満であることがわかりました。 その結果、プロパン、ヘプタン、オクタンの蒸発圧力の変化が、細孔直径の高い割合がナノスケール（< 100 nm）である緻密な岩石（頁岩や緻密な砂岩）を含む透過性岩石で観察されました。 この論文は、私たちの以前の研究5、6、7、18、20の続きであり、さまざまな貯留岩石およびさまざまな圧力下での純粋成分の炭化水素溶媒、二成分混合物、および三成分混合物の蒸発温度を調査します。 溶媒の相挙動 (蒸発) に対する密閉環境 (ナノ細孔および高い毛管圧力) の影響に関する実験データと証拠が提供されます。 次に、実験結果は、古典的な PR-EoS によって得られた計算された蒸発温度と比較されます。

閉じ込められた流体は、バルク状態で存在するものとは異なる独特の物理的特性を継承します21。 その結果、閉じ込め効果により、拘束された流体の相変化挙動が変化する傾向があります 22、23、24。 バルク状態では、相転移の挙動は主に分子間相互作用 (分子間結合) によって支配され、流体分子の大部分は固体分子間の相互作用により付着力の影響を受けません。 媒体のサイズが小さくなるにつれて、空間体積内の分子の数は減少します。 その結果、分子の大部分に対する付着力の影響 (細孔と分子の相互作用) が起こり始め、細孔壁に分子が吸着します。 この現象は、拘束された流体の相変化温度/圧力の変化に寄与します13。 さらに、ナノ細孔内での分子の吸着により流体密度分布の不均一性が生じ、これが位相挙動のシフトの原因となる可能性があります 25。 図 1 は、バルク条件および毛細管条件における分子と細孔壁との相互作用を模式的に示しています。

(a) 緻密な細孔内の流体分子の分布。 閉じ込め効果により、ほとんどの分子は内部細孔表面に吸着されます。 (b) 毛細管効果のないバルク媒体中の流体分子の分布。 凝集力 (分子間力) が支配的なため、少数の分子が固体表面に吸着されます。

一方、リザーバー内の流体の相変化は、多孔質媒体の流体力学を大きく制御するため、リザーバー内の相の分布、リザーバーガスと注入された溶媒の伝播、および全体的な炭化水素回収に影響を与えます。 高温流体（すなわち、蒸気、熱水）の注入、蒸気への添加剤としての溶媒の注入26、27、またはリザーバの圧力低下中、接触したリザーバと注入された流体の蒸発または凝縮は、生産または注入の段階を通じて継続的に発生します。 緻密な貯留岩は主に拡張された緻密性を特徴とし、相の挙動に重大な毛細管効果をもたらします。 したがって、相変化の性質に対する毛細管現象の影響を徹底的に理解することは、流体特性の正確なモデリングを実現し、密閉されたリザーバー内に閉じ込められた流体の正確な VLE 計算を実行するために不可欠です。 標準的なキュービック EoS は、相変化に対する閉じ込めの影響を考慮していないため、密閉媒体内の閉じ込められた流体の正確な VLE 計算を実現するのに適した候補ではありません。

相の動的予測の精度の向上に加えて、最適な炭化水素回収を達成するための適切な温度を推定するために、高温 EOR 用途 (つまり蒸気注入) では、貯留層岩石内の相挙動を正確にモデル化することが重要です。 たとえば、フラクチャリザーバーへの溶媒オーバースチーム注入 (SOS-FR) において注入された蒸気/熱水の適切な温度を知ることは、注入された溶媒の最適な回収を達成するために重要です27。 温度を正しく推定すると、過剰な熱エネルギーの必要性がなくなり、運用コストの削減に役立ちます。 細孔径分布解析（PSDA）は、いくつかの貯留岩石の細孔径の分布を実験的に測定するために、以前の研究6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18で実施されました。 。 これらの研究は、浸透性の岩石（ベレア砂岩とインディアナ石灰岩）の浸透性が比較的高いにもかかわらず、孔容積のほぼ 4.5% がナノサイズであることを示しました。 閉じ込められた細孔 (< 1000 nm) の体積パーセンテージはかなり小さいですが、ナノ細孔の存在により、透過性岩石の蒸気圧または沸騰温度が変化する可能性があります。

テストされた単一成分溶媒 (ヘプタンおよびオクタン) は、溶媒が蒸気への添加剤として使用される冷却溶媒注入または熱 EOR 用途で注入された炭化水素溶媒を表しました。 二成分混合物 (ペンタン-ヘプタン) は、非複雑な軽油を表しました。 一方、三成分混合物は、二成分混合物と比較して、成分の点でわずかに複雑なより重い油として機能しました。 シフトされた沸点は、次の 3 つの主な圧力下で測定されました。(a) 大気圧 (1 atm、14.7 psi)。 (b) 64.7 psi。 (c) 114.7 psi。 分析には特殊な高圧高温 (HPHT) 窓付きセルが使用され、窓付きセル、特にセル内の岩石の温度を制御するために恒温オーブン内に保管されました。 蒸発温度で、生成された蒸気泡は、外側の岩石サンプル上の微細な蒸気泡を鮮明に視覚化する拡大システムを備えたビデオカメラを使用して検出されました。 シフトした沸騰温度は PR-EoS による計算された蒸発温度と比較され、実験からの測定値と立方体 EoS からの計算値の間の偏差パーセンテージが計算されました。

図2に示すHPHTセルは不活性ガスにより一定圧力で加圧されています。 窒素は、実験の条件ではセル内の流体に対して化学的に不活性であり、一般に石油やガスの貯留層に既存する主要なガスの 1 つであるため、加圧ガスとして窒素が選択されました。 適用可能な圧力範囲は、窓付きセルの最大設計温度 (260 °C (533.15 K)) に基づいて 14.7 ～ 114.7 psi でした。 114.7 psi を超えると、使用する溶媒のバルク相変化温度に近づくために最大設計温度を超える必要があります。

溶媒蒸発温度測定に利用した実験システムの概略図。 岩石サンプルを加熱液体として機能するグリセロールに浸漬しました。 熱電対もグリセロールに浸して温度を連続的に測定しました。

システムの圧力は、99.5% の標準圧力精度を備えたシリンジ ポンプによって制御されました。 恒温オーブンを使用して、セル全体の温度を室温 (21 °C) から、純粋な成分の液体または混合物である試験溶媒のバルク沸騰温度まで徐々に上昇させました。 すべての実験において、温度は 0.05 °C/秒の加熱速度で上昇しました。 試験を開始する前に、選択した岩石を 12 psi (大気圧以下) で真空引きし、閉じ込められた空気を完全に除去しました。 次に、各岩石サンプルが確実に完全に飽和するように、炭化水素溶媒で少なくとも 24 時間飽和させました。 調査における重要なポイントの 1 つは、岩石の周囲に熱が均一に分布するようにすることです。 これを行うために、岩石サンプルは加熱液体として機能するグリセロール浴に浸されました。 グリセロールは水溶性液体であるため、非極性炭化水素溶媒には溶けません。 したがって、そのような化学的性質により、試験した溶媒がグリセロールと混合して溶液を形成することが妨げられるでしょう。 岩石を適切に（均一に）加熱するための媒体としてグリセロールが選ばれたその他の理由は、その粘度が高いため、グリセロールが岩石の細孔に吸収されるのが非常に困難であったことと、岩石サンプルを慎重に真空にして完全に除去したためです。空気が閉じ込められ、炭化水素で完全に飽和します。 一方、たとえグリセロールが岩石の細孔にアクセスできたとしても、その沸騰温度 (約 290 °C) は、実験の設計最高温度である 180 °C よりも高くなります。 したがって、実験の最高温度条件でも、グリセロールは相変化や岩石との相互作用に遭遇しませんでした。

図2は、貯留岩中の炭化水素溶媒の相挙動を研究するために使用される実験装置を概略的に示しています。 データ収集システムを使用し、浸漬熱電対と圧力変換器を利用して、岩石を含む HPHT セルの圧力と温度を毎秒記録しました。 加熱プロセス中の加熱液体 (グリセロール) と岩石サンプルの間の温度差を防ぐために、低い加熱速度 (0.05 °C/秒) が選択されました。 したがって、グリセロールの温度が圧力とともに連続的に記録されました。 蒸発段階では、形成された蒸気相をビデオカメラで検出し、岩石表面での気泡の形成を捉えました。 起こり得る測定誤差を最小限に抑えるために、システムのキャリブレーションが行われました。 バルク条件での蒸発は、セットアップを校正し、センサーやシステム内の熱の不均一性によって引き起こされる可能性のある潜在的な不正確性を検査するためのベンチマークとして使用されました。 試験された液体の標準沸点は、実験システム (図 2) を使用して測定され、体積と圧力に関して同一の条件下で測定された標準化された相変化温度と比較されました。

私たちの以前の研究6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18では、ベリア砂岩、インディアナ石灰岩、緻密な砂岩、および頁岩の孔径の偏差を測定するためにPSDAが実行されました。 。 この研究では、各岩石の 1000 nm よりも密な細孔の占有率を含むいくつかの測定パラメータが示されました。 細孔径分布の分析は、岩石表面上の窒素の脱着と吸着を定量化することによって行われました。 表 2 は、砂岩、石灰岩、緻密な砂岩、および頁岩におけるナノ細孔 (< 1000 nm) の体積パーセント、透過率、密度を示しています。

PSDAによると、高透水性の岩石（砂岩と石灰岩）は主にマクロ細孔で構成されており、細孔のほぼ95.5％が1000nmより大きいという。 文献に基づくと、毛細管効果は沸騰温度の変化を引き起こすのに十分ではないため、浸透性岩石の大部分の細孔内の流体の相挙動は、おそらく古典的な PR-EoS によって予測できる可能性があります。 それにもかかわらず、砂岩や石灰岩では少数として機能する閉じ込められた細孔内の流体は、高い毛管圧力と吸着効果による相変化の点で異なる挙動を示すと考えられます。 また、シフトされた沸騰温度は、PR-EoS や RK-EoS などの従来の立方体 EoS では正確にモデル化されません。 緻密なマトリックス (頁岩や緻密な砂岩) では、閉じ込められた細孔 (< 1000 nm) がかなりの割合で緻密な岩石を占めるため、炭化水素の相変化挙動をモデル化することが非常に重要です。

この研究は、単一成分の溶媒 (ヘプタンとオクタン) の蒸発挙動を研究することから始まりました。 次に、研究は二元および三元炭化水素成分を含むより複雑な混合物に焦点を当てました。 表 3 に、使用したアルカンのモル分率と純度を示します。

PR-EoS は、単一成分および多成分の炭化水素溶媒の二相エンベロープをモデル化するために使用されました。 2 相エンベロープは、Computer Modeling Group (CMG) ソフトウェアを使用して生成されました。 位相エンベロープの計算用に選択された温度と圧力の範囲は、0 °C (273.15 K) ～ 250 °C (523.15 K) および 0 psi (0 bar) ～ 200 psi (13.7 bar) でした。 次に、岩石の平均相変化温度が、立方体 EoS によって計算された温度と比較されました。 混合物については、測定された温度が PR-EoS によって計算されたバブルポイント温度と比較されました。 各試行について、シフトされた温度値と PR-EoS からの計算値との間の偏差パーセンテージ \({(\Delta T}_{v}\%)\) が得られ、次のように表されます。

ここで、\({T}_{v}\) は特定の圧力における PR-EoS によって計算されたバブルポイント温度、\({T}_{exp}\) は岩石内で測定された蒸発温度です。 表 4 (補足資料セクションを参照) は、さまざまな周囲圧力における各岩石の測定された溶媒沸点温度と、岩石から得られた温度間の偏差パーセンテージ (\(\Delta {T}_{v}\%\)) を示しています。実験と PR-EoS によってモデル化された実験。

貯留岩は不均質な性質を持っているため、岩の多孔質媒体内の蒸気相の動きは試行ごとにわずかに変化し、生成された気泡が岩の表面に現れる温度はわずかに変化する可能性があることを意味します。 したがって、実験を複数回繰り返し、測定された沸騰温度を平均することにより代表値を求めました。 図３および図４に示すように、バルク状態におけるさまざまな圧力における相変化温度の平均値が解析において考慮された。 バルク条件の値は文献または他の情報源 (カタログなど) から取得したもので、これらのプロットに見られるように、PR-EoS と気化温度のバルク測定の間で非常に類似した値が観察されました。 貯留岩中の溶媒の相変化温度の測定値は、バルク測定値や PR-EoS からの計算値とは異なりました。

図 3 は、さまざまな種類と圧力の貯留層岩石における純粋成分の溶媒と炭化水素混合物の蒸気相の生成を示しています。 表 5 (補足資料セクションを参照) は、選択した各圧力における各岩石の測定された溶媒沸点温度、および次の式から得られた平均温度間の偏差パーセンテージ \((\Delta {T}_{B}\%\)) を示しています。実験とバルク条件で測定された実験は次のように与えられます。

ここで、 \({T}_{B}\) はバルク状態での溶媒の沸点、 \({T}_{exp}\) は岩石中での実験による蒸発温度です。 純粋な炭化水素溶媒 (ヘプタンとオクタン) では、貯留層の岩石に閉じ込められた細孔が存在するため、偏差パーセンテージは 4.4 (ケルビン単位で 1.6%) から 19.7% (ケルビン単位で 5.2%) まで変化することが観察されました。 一方、炭化水素混合物の場合、偏差パーセンテージは 1.4 (ケルビン単位で 0.4%) から 27.6% (ケルビン単位で 5.3%) まで変化することが観察されました。

(a) 137 °\(\mathrm{C }\)、64.7 psi での砂岩中での純粋なヘプタンの蒸発。 (b) 163 °\(\mathrm{C}\) および 64.7 psi での石灰石中の純粋なオクタンの蒸発。 (c) 134 °\(\mathrm{C}\) および 114.7 psi での緻密な砂岩中でのペンタンとヘプタンの混合物の気化。 (d) 127°\(\mathrm{C}\)および64.7 psiでの頁岩中のペンタン-ヘプタン-オクタン混合物の蒸発。

図 4 と図 5 は、砂岩、石灰岩、緻密な砂岩、頁岩中の純成分溶媒としてのヘプタンとオクタンの蒸発温度の測定値をそれぞれ示しています。 図6と7は、それぞれ砂岩、石灰岩、緻密な砂岩、頁岩中のペンタン-ヘプタン混合物とペンタン-ヘプタン-オクタン混合物の測定された蒸発温度を示しています。 さらに、彼らは、毛細管効果のないバルク条件で実験的に測定された各溶媒のバルク沸点を含む、古典的な PR-EoS を使用して計算されたテストされた溶媒の二相エンベロープを提示します。 岩石中の毛細管効果により、相変化温度の測定値と計算値の間の偏差パーセンテージは、純粋な溶媒 (ヘプタンとオクタン) の場合、4.4 (ケルビン単位で 1.6%) から 19.3% (ケルビン単位で 5.1%) の範囲でした。 。 一方、多成分溶媒の場合、偏差パーセンテージは 2.1 (ケルビン単位で 0.7%) から 25.7% (ケルビン単位で 5%) の範囲でした。

さまざまな岩石中のヘプタンの平均蒸発温度と、さまざまな圧力における PR-EoS から得られた相変化温度の計算値。 実験データは、バルク条件での相変化測定から得られました。

さまざまな岩石中のオクタンの平均蒸発温度と、さまざまな圧力における PR-EoS から得られた計算された相変化温度。 実験データは、バルク条件での相変化測定から得られました。

さまざまな岩石中のペンタンとヘプタンの混合物の平均蒸発温度と、さまざまな圧力における PR-EoS から得られた計算されたバブルポイント/露点温度。 実験データは、バルク条件での相変化測定から得られました。

さまざまな岩石中のペンタン-ヘプタン-オクタン混合物の平均蒸発温度と、さまざまな圧力でのPR-EoSから得られた計算されたバブルポイント/露点温度。 実験データは、バルク条件での相変化測定から得られました。

図8a〜dは、ヘプタン、オクタン、二成分混合物（ペンタン-ヘプタン）、および三成分混合物（ペンタン-ヘプタン-オクタン）のバルク測定からの、実験的に測定された岩石中の蒸発温度の偏差を示しています。 実線は、岩石のバルク値と温度測定値の間の偏差がゼロであることを表します。 純粋な成分の溶媒（図8a、b）では、バルク測定値からの測定された蒸発温度のシフトが、選択されたすべての圧力と岩石の種類で観察されました。 系統的には、特定の圧力で沸騰を開始するために必要な温度は、例外なくバルク条件の温度よりも低くなります。 一方、二元混合物と三元混合物では、大気圧で比較的小さな偏差が検出されました（図8c、d）。 圧力が増加するにつれて、測定値とバルク値の差が増加しました。 沸騰に必要な温度は、単一成分の場合（図8a、b）と同様に、高圧でのバルク状態よりも低いことが観察されました（図8c、d）。

(a) バルク測定からのヘプタンの測定蒸発温度の偏差。 (b) バルク測定からのオクタンの測定蒸発温度の偏差。 (c) バルク測定からのペンタン-ヘプタン混合物の測定蒸発温度の偏差。 (d) バルク測定からのペンタン-ヘプタン-オクタン混合物の測定蒸発温度の偏差。

浸透性、細孔の質感、湿潤性、粘土含有量などの岩石の毛細管特性も、沸騰プロセスに影響を与える可能性があります。 これらすべてのパラメーターは、生成されたガスの相分布と閉じ込めに影響を及ぼし、最終的には多成分系で異なる相挙動をもたらします。 単一成分の溶媒が存在する状況では、相変化段階で、蒸気相の大部分が同じ流体の液相によって中断されたりトラップされたりすることはありません20。 この現象は、純粋な溶媒の通常の沸点からの顕著な温度偏差の原因を説明します (図 8a、b)。 一方、多成分溶媒の場合、ケイ酸ガラスマイクロ流体チップにおける以前の研究20で観察されたように、沸点が高い重い成分の液相が軽い成分の蒸気相の移動を制限します。 蒸気の泡が岩石の表面に現れるのが遅れると、特に大気圧での温度偏差が減少します。 したがって、岩石の界面特性の影響は多成分系の場合により顕著であり、これにはさらなる研究が必要です。

相挙動に対する毛細管効果に関する初期の研究のほとんどは、等温条件と変化する圧力に対して行われました。 これらの研究は理論的および計算の開発に限定されており、実験による検証は限られています。 彼らは、気化にはバルク条件と比較してより低い圧力が必要であると結論付けており、これはケルビン方程式と一致しています6、7。 これらの研究では、炭化水素ガス (通常はプロパン) が使用されました。 しかし、本研究では、液体炭化水素と非等温条件をテストしました。 これは、石油の回収率を高めるために溶媒と蒸気が使用された石油貯留層でよく見られるケースです。 このタイプのアプリケーションの最低温度要件は重大な問題です27が、このタイプのアプリケーションの理論モデル、さらに重要な実験データはまれです。 より効率的に混合し、アスファルテンの沈殿を少なくするために、ガス状炭化水素 (プロパン-ブタン) ではなく液体炭化水素 (ペンタン-デカン範囲) を使用する傾向がありました。

このタイプの炭化水素に関する実験的証拠はまれです。 Alfi et al.28 は、ナノ流体チップ上のヘキサン、ヘプタン、オクタンをさまざまな温度でテストしました。 Cho et al.29 は、デカン-メタン混合物にメソ多孔質シリカ材料を使用しました。 どちらの研究でも、バブルポイント温度のごくわずかな上昇が報告されており、これはケルビン方程式と一致しています。 Barsotti et al.22 が相挙動に対する毛細管効果について広範な検討を行った結果、実験データの欠如がこの複雑な現象に関する重大な問題であると結論付けています。 彼らは、毛管凝縮/蒸発および閉じ込め誘起相転移についてはまだ不明な点が多いことを示した。 これには、より多くの実験的証拠が必要です。

岩石実験への取り組みにより、私たちは実質的な実験証拠を提供しました。 データは、特定の条件、特に高温高圧では理論 (ケルビン方程式) と矛盾します (図 4、5、6、7)。 これは媒体の特性によるものと考えられます。 岩石は、複雑なネットワーク特性、濡れ性特性、鉱物学的要因（粘土含有量など）を備えた広範囲の毛細管サイズを表すため、マイクロ/ナノチップよりも複雑です。 これにはさらなる解明が必要であり、この研究で提供された実験データがさらなる実験研究や計算研究につながることが期待されます。

貯留岩中の相挙動を理解することは、多孔質媒体中の流体のダイナミクスと分布を正確に予測するために不可欠です。 蒸発および凝縮挙動に対する閉じ込め効果の影響は、頁岩や緻密な砂岩マトリックスなどの緻密な貯留層でより顕著になります。 表 4 と図 4 で観察されるように、透過性の岩石 (ベレア砂岩とインディアナ石灰岩) にナノ細孔が存在すると、相変化温度が変化する可能性があります。 4、5、6、7。バルク測定からのすべての岩石サンプルの測定蒸発温度の偏差パーセンテージは、単一成分の場合 4.4% (ケルビン単位で 1.6%) から 19.7% (ケルビン単位で 5.2%) の範囲でした。溶媒と1.4% (ケルビン単位で0.4%) ～ 27.6% (ケルビン単位で5.3%)の炭化水素混合物。 表 5 および図 5 に示すように、シフトされた相変化温度は、PR-EoS のオリジナル バージョンによるモデル化された 2 相エンベロープとも比較されました。 計算値からの測定された蒸発温度の偏差パーセンテージは、単一成分溶媒では少なくとも 4.4% (ケルビン単位で 1.6%)、炭化水素混合物では 2.1% (ケルビン単位で 0.7%) でした。 。

この論文の目的は、実際の貯留層岩石 (毛管閉じ込め媒体) における炭化水素混合物の相挙動がバルク条件からどのように逸脱するかを示すことでした。 これは実験的研究によって達成されました。 私たちの将来の研究は、オリジナルのバージョン PR-EoS を修正して、閉じ込められた多孔質媒体内の相変化挙動のモデル化にさらに適用できるようにすることに焦点を当てます。 この研究で提供される実験データは、そのような分析/計算モデルの検証に役立つでしょう。

現在の研究中に使用および/または分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

ペン・ロビンソンの状態方程式

石油回収の強化

ペン・ロビンソン

オネスト・クォン

気液平衡

ユニバーサル気体定数

温度

アトラクションパラメータ

モル体積

ファンデルワールス共巻

圧縮率

定数

プレッシャー

細孔径分布解析

高圧高温

ケルビン

摂氏度

2番

ポンド/平方インチ

偏差パーセンテージ

バルク状態での溶媒の沸点

岩石中の実験的蒸発温度

PR-EoSによるバブルポイント温度の計算

パーセンテージ

炭素原子

水素原子

ヘプタン

オクタン

亀裂のある貯留層への溶媒の上からの蒸気注入

Nagarajan、NR、Stoll、D.、Litvak、ML 他。 2020. プロパン注入によるバッケン油回収強化の実地試験の成功: パート I. 実地試験の計画、運用、監視、および結果。 非従来型リソース技術カンファレンス、URTeC: 2768。https://doi.org/10.15530/urtec-2020-2768。

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この研究は、非在来型石油回収における第二著者（TB）のNSERC産業研究委員長（産業パートナーは石油開発オマーン、ハスキー・エナジー、サウジアラムコ、サンコール、CNRL、BASF）およびNSERCディスカバリー・グラント（番号：RES0011227）のもとで実施された。 。 これらのご支援に感謝いたします。 筆頭著者 (IK) は、アルバータ大学での大学院研究に経済的支援を提供してくれたオマーン石油開発会社 (PDO) に感謝しています。 また、VLE 計算の実行に必要な支援を提供してくれたシミュレーション ソフトウェアを使用するためのアクセスをアルバータ大学に提供してくれた Computer Modeling Group Ltd. (CMG) にも感謝します。

土木環境工学部、鉱業石油工学部、7-277 Donadeo Innovation Center for Engineering、University of Alberta、9211 - 116th Street、Edmonton、AB、T6G 1H9、カナダ

イリヤス・アルキンディ & タイフン・ババダグリ

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IA-K.: データのキュレーション、執筆 - 原案の準備、調査、視覚化。 TB: 概念化、方法論、監督、執筆、レビュー、編集。

タイフン・ババダグリへの通信。

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転載と許可

Al-Kindi, I.、Babadagli, T. 実際の貯留岩中の単一成分および多成分液体炭化水素の相挙動。 Sci Rep 13、4507 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-31651-3

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受信日: 2022 年 12 月 11 日

受理日: 2023 年 3 月 15 日

公開日: 2023 年 3 月 18 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-31651-3

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